F06 Cogénération

AGRINOVA – Groupe AGÉCO
F06 Cogénération
DESCRIPTION SOMMAIRE
La cogénération signifie la production de deux formes d’énergies, généralement de l’énergie thermique et
de l’électricité, à partir d’un seul combustible. Au départ, la cogénération visait à valoriser la chaleur
perdue dans le processus de production d’électricité. Aujourd’hui, la cogénération est aussi envisagée
pour différentes raisons dont la production d’énergie plus verte, la valorisation de surplus de
combustibles et la rentabilisation d’installations de production d’énergie thermique.
 Intrants
La cogénération nécessite à la base une source de chaleur élevée, soit en provenance de la combustion ou
de la gazéification de combustibles (mazout lourd, gaz naturel) ou de biocombustibles (résidus de bois),
soit en provenance du sol (géothermie profonde) ou encore du soleil (concentration solaire). Même la
production nucléaire d’électricité peut être une source de chaleur pour la cogénération. Au Québec, la
biomasse forestière est actuellement la principale source d’énergie utilisée pour la cogénération.
 Processus
La cogénération consiste à produire à l’intérieur d’un même processus et à partir d’une même source
d’énergie de l’électricité et de la chaleur utile. La cogénération peut être réalisée à l’aide de divers
procédés faisant appel à différents aspects des lois thermodynamiques. Typiquement, la source de
chaleur élevée est convertie en énergie cinétique (par exemple, de la vapeur à haute pression qui
actionne une turbine) pour faire tourner une génératrice et la chaleur résiduelle est récupérée pour
d’autres usages, par exemple dans les procédés industriels ou dans un réseau de chauffage urbain. La
chaleur récupérée peut être sous forme de vapeur ou de liquide caloporteur (comme le glycol ou l’eau)
selon la technologie et l’usage éventuel.
 Produits et utilisations
L’utilité primaire de la cogénération est l’augmentation du rendement énergétique de la source d’énergie
par la valorisation de la chaleur qui serait autrement perdue. L’énergie source (la chaleur élevée) est
convertie approximativement à 25 % en électricité (entre 20 et 38 %) et à environ 50 % en chaleur utile
pour une efficacité globale entre 75 et 85 %. Ceci se compare avantageusement avec un système
purement électrique qui ne récupère qu’environ 30 à 40 % de l’énergie source.
La cogénération suppose donc qu’une voie de valorisation de l’énergie thermique soit disponible à
proximité et de manière stable et continue, à l’interne ou à l’externe. En effet, plusieurs projets de
cogénération n’ont pas abouti faute d’utilisateurs pour l’énergie thermique.
Dans le cas des régions éloignées, hors réseau, la communauté et ses industries sont les clients de
l’électricité et de la chaleur. Dans les zones où l’unité peut être branchée sur le réseau électrique,
l’électricité est en partie autoconsommée et en partie vendue sur le réseau, la chaleur étant utilisée
localement. C’est le modèle de plusieurs compagnies forestières installées au Québec. Souvent, la chaleur
n’est toutefois valorisée que partiellement.
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MATURITÉ
La technologie est mature et répandue. La production d’électricité à partir de biomasse par des
entreprises privées ayant conclut des ententes avec Hydro-Québec est passée de 0 à 300 MW entre 1983
et 2005. La plupart des usines de cogénération au Québec sont liées à l’industrie forestière et
fournissent, au-delà de l’électricité vendue à Hydro-Québec, l’électricité et la vapeur requise par
l’industrie locale. Pour être rentable, la taille de ces usines est en moyenne 30 MW électrique.
Des applications efficaces et rentables à des capacités inférieures à 5 MW électrique sont encore en
démonstration. La compagnie canadienne Turbion est très avancée à ce niveau et offre
commercialement sa technologie de cycle « entropique » en modèles allant jusqu’à 2 000 kW (2 MW).
ENJEUX TECHNOLOGIQUES





La production d’électricité à partir de biomasse
(exclusivement par la cogénération) s’est accrue de près de
100 % au cours des 20 dernières années pour atteindre près
de 10 % du bilan. Cependant, la progression future sera plus
lente en raison de l’épuisement de la biomasse bon marché
comme les écorces et autres résidus d’usine.
La maturation de technologies de cogénération à plus petite
échelle devrait permettre à plusieurs projets de tirer
avantage d’approvisionnements plus limités en biomasses à
bon marché.
Pour la réalisation de nouveaux projets d’envergure, il
faudra désormais compter sur les déchets de coupe laissés
sur aires d’ébranchage et autres biomasses d’origine
forestière, agricole, urbaine, etc.
Toutes les centrales de cogénération utilisant de la
biomasse incorporent également des chaudières d’appoint
de capacité équivalente fonctionnant avec un carburant
fossile (mazout lourd, gaz naturel) pour garantir
l’approvisionnement électrique.
Au niveau environnemental, la combustion de biomasse
résiduelle (comme les écorces), nécessite des équipements
de nettoyage des gaz de combustion afin de respecter le
Règlement québécois sur la qualité de l’atmosphère (seuil
de 340 mg de particules en suspension par m3 de gaz
évacué). Les types d’équipements incluent (en ordre
d’investissement
croissant)
les
dépoussiéreurs
multicyclones (insuffisants pour les unités à petite échelle),
les laveurs de gaz et les précipitateurs électrostatiques.
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MARCHÉS POTENTIELS
Les technologies utilisant des turbines
à vapeur sont applicables pour des
systèmes de 10 à plus de 100 MW. La
plupart des centrales ont une capacité
dans l’intervalle de 25 à 50 MW. Pour
une capacité inférieure à 10 MW, le
procédé devient assez inefficace et la
rentabilité est normalement perdue. La
nécessité d’un opérateur certifié pour
le procédé de cycle de vapeur est un
inconvénient additionnel de la
technologie à cette échelle.
À moins de 5 MW, le cycle entropique
devient plus intéressant en grande
partie à cause de la simplicité relative
du système et des coûts d’opération
réduits.
Pour une utilisation efficace de la
chaleur, les utilisateurs (procédés
industriels, consommateurs liés à un
réseau de chaleur urbain) doivent se
situer dans un rayon de moins de 5 km
de la centrale. Il peut être nécessaire
d’incorporer des chaufferies d’appoint
à des endroits stratégiques dans le
système de distribution si la distance
est trop grande ou si un consommateur
d’envergure se situe au bout du réseau.
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COÛTS
à
Le coût d’investissement typique des centrales de cogénération à la biomasse dans la gamme de
puissance 5 à 30 MWe, utilisant une turbine à vapeur, varie entre 2,25 et 3,5 M$/MWe. Ce coût peut
augmenter sensiblement selon la configuration particulière de la centrale, de la technologie et des
équipements utilisés, des systèmes de traitement des émissions gazeuses et particulaires, des coûts de
branchement au réseau (électrique et thermique), etc.
Investissements requis pour différentes technologies de cogénération
Technologie
Combustion directe (vapeur)
Cycle de vapeur
Cycle entropique
Gazéification-combustion
Pyrolyse à turbine
Coût en capital
(million $/MWe)
Efficacité électrique
(%)
Échelle
2,5
4
2,8
3
3-5,6
25 – 30 ou 20 - 25
20 - 25
14
20 - 25
12
Grande ou Petite
Grande
Petite
Grande
Grande
Traduit et adapté de BIOCAP, 2008; BIOCAP Canada (2008, 25 févr.) An information guide on pursuing biomass energy
opportunities and technologies in British Columbia. BC Ministry of Energy, Mines and Petroleum Resources / BC Ministry of
Forests and Range. 80 pages.
 Durée de vie
Plus ou moins 20 ans
 Main-d’œuvre
L’opération d’une centrale de cogénération peut nécessiter jusqu’à 7 employés à temps plein par tranche
de 100 GWh de production annuelle, ce qui inclut un opérateur de bouilloire certifié pour chaque quart
d’opération. Cette approximation ne s’applique pas aux technologies de cycle entropique puisqu’elles
n’incluent pas de bouilloire.
COMPÉTITIVITÉ
(Très variable)
La rentabilité dépend essentiellement de la
capacité
à
obtenir
une
source
d’approvisionnement en biomasse à très bon
marché et de la capacité à valoriser la chaleur
produite. Historiquement, les sources
d’approvisionnement étaient les résidus des
usines de bois d’œuvre et les écorces, dont le
coût ne dépassait pas 10 à 15 $/tonne
humide pour une unité « moyenne » de 30
MWe. Ceci équivaut à un coût approximatif
de 0,01 à 0,06 $/kWhe (approvisionnement
seulement) alors que le coût d’achat de
l’électricité est de 0,08 $/kWhe. Or, le prix
des biomasses est en augmentation, ce qui
compromet la rentabilité des projets.
Toutefois, les revenus (ou coûts évités)
associés à la chaleur produite lorsqu’elle peut
être valorisée vient contrebalancer ce coût
plus élevé et peut permettre de rentabiliser
les projets.
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ADAPTABILITÉ AUX PETITES COMMUNAUTÉS


Dans les petites communautés, l’implantation d’une
unité de cogénération pourrait être envisagée, par
exemple, dans le cadre de projets de développement
industriels (client électrique et thermique) et facilité
si les résidents sont suffisamment rapprochés et
utilisent un système d’eau chaude pour le chauffage
(client thermique). Plusieurs application sont
possibles pour des activités industrielles se
rapprochant des activités traditionnellement rurales :
production serricole ou aquacole, transformation
agroalimentaire, etc. La cogénération sera
particulièrement intéressante dans les communautés
où la capacité de transport du réseau de distribution
électrique limite les possibilités de développement
industriel.
Par ailleurs, les milieux ruraux sont à proximité de
biomasses abondantes (forêts et terres agricoles), ce
qui est un avantage important en autant que les
biomasses puissent être récoltées et transportées à
l’unité de cogénération à peu de frais.
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SOUTIEN DISPONIBLE
Programme provincial
Hydro-Québec Distribution lancera avant le 15 avril 2009 un appel d’offres pour l’achat de 125 MW de
cogénération à base de biomasse en 2009. Ce programme va contribuer à créer des débouchés pour la
valorisation de la biomasse forestière ou d’autres matières résiduelles.
La société d’état doit également annoncer les modalités de son programme de micro-production
d’électricité prévu dans la Stratégie Énergétique du Québec 2006-2015 :
 Vise l’achat d’électricité générée par des petits producteurs (de 50 kW à entre 500 kWe et 2 MWe)
 Les énergies renouvelables comme la biomasse et les éoliennes seront admissibles au programme
Programme fédéral
Le programme fédéral écoÉNERGIE pour l'électricité renouvelable prévoit une aide de 1¢/kWh produit
pour la production d’électricité propre pour des projets de 1MWe et plus.
Disponibilité d’expertise québécoise
L’industrie forestière du Québec possède toute l’expertise nécessaire pour diriger des projets de
cogénération (approvisionnement, contrats, permis) ainsi que pour construire et opérer les unités de
production. Cependant, leur expérience se limite au lien étroit entre les scieries, papetières et cie. et
l’unité de cogénération. La restructuration actuelle de l’industrie forestière nécessitera des solutions et
modèles d’affaires plus créatifs pour toute nouvelle usine puisque les sources d’approvisionnement
traditionnelles ne sont plus garanties.
LACUNES OU BARRIÈRES



Le faible prix d’achat de l’énergie électrique au Québec et le monopole de la distribution
Le processus de planification et de consultation peut être complexe pour des centrales de cogénération
La conjoncture actuelle de l’industrie forestière menace les sources d’approvisionnement traditionnelles
et peu coûteuses
AVANTAGES

Augmentation de l’activité économique
locale en milieu rural (emplois et achats
locaux). Pour chaque dollar investi dans
une installation valorisant la biomasse,
0,70 $ demeure dans l’économie locale
contrairement à 0,10 $ seulement dans
le cas des combustibles fossiles. Une
étude américaine a évalué que pour
chaque tranche de 120 000 gallons de
mazout remplacé par de la biomasse,
on génère deux emplois et des revenus
de 100 000 $ dans l’économie locale. La
création d’emplois directement à
l’usine (d’entretien et d’opération) est
cependant limitée à environ 7 postes
par tranche de 100 GWh de production
annuelle. Une unité de 30 MWe
créerait ainsi environ 20 emplois à
l’usine.
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INCONVÉNIENTS







Coût élevé d’acquisition des équipements, notamment
pour des capacités inférieures à 10 MW
Grande capacité de réserve nécessaire à cause de la faible
densité énergétique du produit
Les systèmes à la biomasse forestière résiduelle sont plus
complexes et coûteux que ceux fonctionnant aux
combustibles fossiles
Préoccupations
environnementales
(émissions
atmosphériques, production soutenue des ressources
forestières)
Opinion publique (la méconnaissance des impacts à long
terme, émissions des centrales, craintes par rapport à la
circulation des camions de livraison)
Risque éventuel de concurrence avec l’industrie des pâtes
et papier et des panneaux
Difficulté de signer des ententes de long terme pour
l’achat de chaleur
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INCONVÉNIENTS
AVANTAGES



Réduction des gaz à effet de serre par le
remplacement de l’énergie fossile
Contribution négligeable aux pluies
acides (faible teneur en soufre)
Augmentation de l’efficacité globale de
la transformation de la biomasse en
énergie utile par rapport à un système
de valorisation uniquement électrique



Éloignement des centres d’approvisionnement en matières
premières agricoles et forestières par rapport aux grandes
zones de consommation d’électricité et de chaleur
Éloignement et dispersion des consommateurs finaux
d’électricité et de chaleur. Le coût de transport de la
chaleur, notamment, devient prohibitif au-delà de
quelques kilomètres
Le faible rendement électrique (20 % environ) des petites
installations décentralisées. Ce rendement est plus faible
que ceux des centrales qui produisent uniquement de
l’électricité
REMARQUES/COMMENTAIRES SUR LE POTENTIEL DE LA FILIÈRE
EN RELATION AVEC LES OBJECTIFS RECHERCHÉS PAR LE GROUPE DE TRAVAIL
Initiatives/projets existants ou en développement au Québec


En mars 2006, dix centrales à la biomasse (écorces et autres sous-produits de scieries, liqueur noire…),
d’une puissance installée totalisant 289 MW, étaient en exploitation au Québec et raccordées au réseau
d’Hydro-Québec. De ces dix installations, trois sont des centrales de génération simple, la vapeur qui
s’échappe de leur turbine étant simplement condensée, faute de clients consommateurs de vapeur.
Nouveaux projets : St-Félicien (Parc agrothermique) et Senneterre (Cité de l’énergie). Centrales
existantes à la biomasse n’exploitant pas la chaleur. Défi : conclure des ententes avec les utilisateurs
visés, notamment des serriculteurs et pisciculteurs.
Production issue de la biomasse forestière au Québec
Région
Abitibi-Témiscaminque
Côte-Nord
Estrie
Nord-du-Québec
Saguenay–Lac-Saint-Jean
Estrie
Outaouais
Total
Centrale
Boralex Senneterre
Tembec Témiscaminque
Arbec Port-Cartier
Domtar Windsor
Domtar Lebel-sur-Quévillon
Chapais Énergie
Boralex Dolbeau (Bowater)
SFK Pâtes Saint-Félicien
Cogénération Saint-Félicien
Kruger Brompton-Sherbrooke
Bowater Gatineau
Puissance installée (MW)
31
10
34
26
49
31
29
29
23
19
20
299
Hydro-Québec TransÉnergie (14 juin 2006)
Initiatives/projets dignes de mention existants ou en développement ailleurs


Systèmes de cogénération avec utilisation communautaire (réseau de chaleur) de l’énergie thermique
en Finlande (900 MWth de puissance installée dont 400 dans des chaufferies collectives).
Centrale de Lienz en Autriche. Capacité électrique de 1,1 MW utilisant le procédé Organic Rankine Cycle
(ORC) pour alimenter un réseau de chauffage urbain dans la ville de Lienz. Recours aux panneaux
solaires et à deux chaudières de mazout pour les périodes de pointe. Cette centrale consomme
annuellement 100 000 m3 de biomasse forestière et industrielle (écorces, sciures et copeaux d’arbres
entiers), dont la teneur en humidité varie entre 40 et 55 % (base humide). La réserve de biocombustible
est constituée d’une aire couverte d’une capacité de 15 000 m3.
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